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D E MONTPELLIER

UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC

THE S E

présentée à l'Université des Sciences et Techniques du Languedoc pour obtenir le grade de Docteur de 3ème cycle de

TECTONIQUE -GËOPHYSIQUE -GËOCHIMIE

GEOCHRONOLOGIE U -Ph ET MICROTECTONIQUE

[)ES SERIES MET AMORPHIQUES ANTE -STEPHANIENNES DE L'AUBRAC

ET DE LA REGION DE MARVEJOLS (MASSIF CENTRAL)

ANNEXE MnHODOLOGIE

par

Christian PIN

Soutenue le 10 Juillet 1979 devant la Commission d'Examen.

JU RY M. J.R. LANCELOT Président-Rapporteur

M. C.

J. ALLEGRE

M. J. DIDIER

M. M. MATTAUER

M. P. MATTE

DUPLICATION

---: U.S.T.L. -tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013

ACADËMIE D E MONTPELLIER

UNIVERSITE DES SCIENCES ET TECHNIQUES DU LANGUEDOC

THE S E

présentée à l'Université des Sciences et Techniques du Languedoc pour obtenir le grade de Docteur de 3ème cycle de

TECTONIQUE -GËOPHYSIQUE -GËOCHIMIE

GEOCHRONOLOGIE U -Ph ET MICROTECTONIQUE

DES SERIES METAMORPHIQUES ANTE -STEPHANIENNES DE L'AUBRAC

ET DE LA REGION DE MARVEJOLS (MASSIF CENTRAL)

ANNEXE MÉTHODOLOGIE

par

Christian PIN

Soutenue le 10 Juillet 1979 devant la Commission d'Examen.

JURY M.

M. M. M. M. J.R. C.J. J. M. P.

LAN CEL 0 T Président-Rapporteur

ALLEGRE

DIDIER

MATTAUER

MATTE

ATEl:-IER' DUPLICATION

-.. U.S.T.L. -tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013

ANNEXE I

LA RADIOCHRONOLOGIE V-Pb tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 - 1 -

LA RAVIOCHRONOLOGIE URANIUM -PLOMB

PREAMBULE:

D'une façon générale, les principes de la méthode de datation U/Pb sont moins bien connus des géologues que ceux d'autres méthodes plus couramment utilisées, telles que les méthodes Rb/Sr et K/Ar, ap pliquées aux roches totales et aux minéraux, par exemple. Or, en radiochronologie U/Pb, comme dans les autres méthodes, les "dates" obtenues ne le sont généralement pas de façon directe, mais à la suite de l'application de divers modèles aux données analytiques. Il est donc particulièrement important de connaître, de façon assez détaillée, la démarche suivie, de l'échantillon aux résultats ana lytiques, d'une part, et de ces résultats bruts" aux âges proposés, d'autre part. Le but de ce chapitre est donc d'essayer de rendre le lecteur

non spécialiste plus familier avec le géochronomètre U/Pb. tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013

- 2 - l -ORIGINE ET

DEVELOPPEMENT DE LA METHODE

1.1 -HISTORIQUE:

L'évolution historique de la géochronologie U/Pb nous semble être jalonnée par un certain nombre d'étapes importantes, que l'on peut

évoquer en quelques dates.

1896
1902
1906
H. BECQUEREL met en évidence le phénomène de radioactivité des sels d'uranium. E. RUTHERFORD et F. SODDY proposent la théorie de la désintégration qui rend compte de la radioactivité. E. RUTHERFORD prend conscience des potentialités géochronologiques du phénomène de désintégration radioactive, et utilise à cette fin le premier élément radiogénique décelé, l'hélium (particules a).

1905-1907 : B.B. BOLTWOOD remarque que les analyses de minéraux uranifères

mettent invariablement en évidence la présence de plomb comme cons tituant mineur. Constatant en outre que, non seulement la quantité 1910
1914
de plomb est proportionnelle à la teneur en uranium du minéral, mais aussi que la quantité de plomb relative à celle de l'uranium est plus grande dans les échantillons géologiquement les plus anciens, il propose que le plomb est l'un des produits ultimes, stable, de la désintégration de l'uranium. H. BATEMAN donne la solution des équations différentielles qui décri vent les transformations radioactives. F. SODDY élabore le concept d'isotope. C'est le point de départ de travaux expérimentaux de spectométrie de masse qui vont permettre

d'acquérir une connaissance plus précise des phénomènes. tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013

Farri 11 e

4n + 2

i'amille 4n

Fami 11 e

4n + 3

1 -2 t_ 1

92 i 91 90 89 88

238 U UX

1

1 24,1 j

1 UX2 h

234 U1";.IO\

1 1 235 U
10 , 1 URANIUM i 2381
l '[ Ra , 9

232 Th 1 :;11. 4.10 al Ms Th 1

6,7 a

6.13 h 1 MsTh

2

RdTh,,/1 1,91 a 1 ThX

1 i ! THOR lUM 2321 87

7,1.10*8 a,l -UV 1 Il

25,6 h3.43.104, 1 21,6 a

Pa 1 __ : 1-1 AcK

i 21,6 a,( ! 22 mn V

1 R.,J liB.' 2'1 "x1lhU.

! 20,1,1 Il, itiRANIUM i 1 1 1 86
Rn Th(n) An 85 84
1

83 82 31

1 1 1 1 , RaA Il 3,05 mn,,1

126,8 mn

1 i

1 i 19,7 m";

1 RAC'l'-' 1,6.10 -\ 1 . RAD./'!I! -

1 l ,h9,4a , Q ,"", 1 5 ' }

1 oj !,L RaE"

! RAFy/1138 4' l,oc Pb" 4,19 mn

1 1--' _J_, 1 -'J 1

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1 i 1 1

ThA : 0,16 5)1 Th,

1

Y3.10 SI

..§.Q.,5 m'lI ThC/' 1 1 h :1' ThC" i 7 3,1 mn

ThC' 1 3. 10 -j 208 P

i -_. >1 1

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1,8.10 36,1 mn i

1 4 i 1

I,ACC 1

2,16 mn 1 (4,8 mn

AcC' 1 1 207 PO

Il l '

" ! i i t i Iii FIG. 1 -TABLEAU DES SERIES RADIOACTIVES NATURELLES. tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 1929
1931
1935
1939
1941
1949
1955
- 3 - F.W. ASTON met en évidence le caratè.re radiogénique de l'isotope de masse 206 du plomb, mais aussi de l'isotope 207Pb, qu'il attribue à la série de désintégration de l'actinium. E. RUTHERFORD montre aussitôt que cette série doit avoir pour origi ne un isotope de l'uranium, de masse 235. F.W. ASTON démontre que l'uranium est constitué à 97% au moins, par l'isotope 238U mais ne peut déceler l'isotope 235U prédit par RUTHER FORD. A.J. DEMPSTER obtient un meilleur spectre de masse qui apporte la preuve expérimentale de l'existence de l'isotope 235U. Ainsi, dès 1935 on savait que l'uranium., par ses deux isotopes de masse 238 et 235 était à l'origine de deux séries de désintégration radioactive dont les produits finaux étaient les deux isotopes 206Pb et 207Pb (fig. 1) ce qui est un aspect essentiel et remarquable sur lequel nous reviendrons. A.O. NIER réalise des analyses isotopiques précises de plombs radio géniques extraits de minerais d'uranium, et publie les premiers âges isotopiques déterminés grâce au chronomètre U-Pb. Il est intéressant de noter que, dès ces_.premières mesures, NIER se heurta au problème de la discordance des âges obtenus par les rapports

206 Pb / 238 U et 207 Pb / 206 Pb, et qu'il suggéra d'emblée que la cause de

ce comportement pourrait résider dans une mauvaise connaissance des constantes de désintégration de 238 U et 23:U, ou, plus probablement, résulter d'une "altération" des minéraux étudiés. R. HAYDEN ; J.H. REYNOLDS et M. INGHRAM introduisent en géochimie la technique de la dilution isotopique, qui va permettre d'effectuer des analyses quantitatives de très haute précision. G.R. TILTON et coll. appliquent pour la première .fois cette technique à la détermination des concentrations en U et en Pb. tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 1955
1956
- 4 - G.R. TILTON et coll. publient la première datation isotopique réalisée sur zircon. G.W. WETHERILL "lance" véritablement la méthode U-Pb par l'apport théorique capital que représentent le diagramme de discussion Concordia et le modèle géochimique fondamental d'interprétation des discordances d'âges en termes.de pertes épisodiques.

1962-63 : L.T. SILVER introduit l'utilisation -désormais classique -des

séries de systèmes U-Pb cogénétiques et jette les bases des recher ches visant à découvrir les facteurs et les discordances.

1971-1973 : En mettant au point une technique nouvelle permettant l'analyse

rapide et précise de très petites quantités de zircons (jusqu'à des monocristaux, LANCELOT et al.), T.E. KROGH apporte une contribution de premier ordre au développement récent et actuel de la géochrono logie U-Pb. A l'issue de ce bref historique, on peut constater que ce n'est qu'au prix d'une lente succession de progrès techniques et d'apports théo riques qu'a pu se développer et se répandre cette méthode radiochronologi que, dont l'intérêt avait été clairement perçu dès le début du siècle.

I.2 -PRINCIPE GENERAL DE LA RADIOCHRONOLOGIE

Comme on vient de le voir, la désintégration radioactive est ap parue très tôt comme un moyen de mesure des âges géologiques. En effet, tout nucléide radioactif à l'état naturel (dit nucléide "père", P) possède une probabilité À de se désintégrer spontanément pendant l'unité de temps. Ainsi, la variation de quantité du nucléide radioactif pendant le laps de temps dt sera: dP -ÀP dt tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 Donc:

D'où:

dP P Log P = -À dt -,Àt + cte - 5 - P Log Po -Àt en notant Po la quantité de nucléide radioactif P présente dans le système

à l'instant initial.

Donc:

P Po e-

Àt Po Or, chaque atome radioactif P donne naissance --directement, ou par l'in termédiaire d'une "série radioactive"--à un atome radiogénique stable ( di t "f ils"), F. Donc, en notant Fo la quantité de nucléide fils présente à l'instant initial dans le système,

F -Fo Po - P

Soit:

F -Fo P (e

Àt -1 ) ( 1 )

D'où

Log ( F -

Fo + 1 ) Àt P Donc: t 1 (F -Fo - 1 ) -Log

À P (2)

Ainsi, on peut théoriquement accéder à l'âge de tout couple nu cléide radioactif/nucléide radiogénique stable, sous réserve que:

1 ° / Fo soit négligeable devant F, ou puisse être estimé (ex.: dia

gramme de Nicolaysen en Rb-Sr) .

2°/ Les concentrations de l'élément-père et de l'élément-fils

n'aient pas subi de variation autre que celle due à la désintégration radio

active: en d'autres termes, le système doit être resté clos. tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013

- 6 - Il suffira de mesurer (F) et (P) 1 et de connaître À. Cette dernière valeur décrit un phénomène nucléaire, et l'on a de bonnes raisons de penser qu'elle n'est affectée de façon sensible par aucun Fro cessus physique ou chimique naturel connu. On peut donc considérer, du point de vue du géologue, qu'il s'agit d'une constante, le seul problème important étant celui de sa détermination pré- cise. Actuellement, on utilise les valeurs suivantes (Steiger et Jager, 1977): -10

1.55125.10 . an-

1

À235u 9.8485.10-

10 • an- 1

I.3 -PARTICULARITE DU SYSTEME U-PB

Il est immédiatement apparent que deux possibilités de calcul d'âge isotopique sont offertes par l'équation (1) appliquée au système U-Pb; dans l'une: F

206 Pb

P 238
U et À = À238U dans l'autre: F 207
Pb P 235 U
et À À 235U C'est là une particularité unique du système U-Pb que d'offrir deux chrono mètres doublement couplés puisque les produits radioactifs d'une part, et les produits radiogéniques stables d'autre part, sont deux isotopes des mê- mes éléments, U et Pb, respectivement. Ce caractère remarquable du système U-Pb assure --compte tenu des masses atomiques importantes des isotopes impliqués, qui rendent tout fractionnement isotopique une cohérence géochimique parfaite aux deux . 235 chronomètres U 207

Pb et 238 U -+ 206 Pb ; on dispose donc de deux

méthodes de datation indépendantes applicables conjointement aux mêmes maté riaux, et pour lesquelles l'équation (1) s'écrit: tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 - 7 -

235 À 235U • t 1 )

U (e -(3)

206
pb rad

À 238

U •

t

238U (e -1) (4)

Une troisième méthode, non indépendante des deux premières est fournie par la possibilité de combiner les deux équations (3) et (4), le rapport

235U/238U étant -sauf exception rarissime (LANCELOT et al., 1975) -une

constante pour une époque donnée (1/137.88 de nos jours). On en déduit un "âge 207 Pb / 206 Pb" • Enfin, il est a priori aussi possible d'utiliser le système 232Th + 208 Pb , mais des problèmes nouveaux se posent, liés aux différences de comportement géochimique qui existent entre l'Uranium et le Thorium, et à la variabilité du rapport Th/U des matériaux naturels.

I.4 -UN PROBLEME MAJEUR: LES DISCORDANCES D'AGES

On peut donc, en général, confronter trois âges fonctions des trois trois rapports 206 Pb / 238U , 207 Pb / 235 U et 207 Pb /206 Pb. Or, dès les premières datations de NIER, il est apparu que, dans la plupart des cas, ces trois âges ne coïncidaient pas. Cet état de fait pose une question majeure de la géochronologie: celle des discordances d'âges obtenus par différentes méthodes. Diverses explications ont été envisagées; * les unes d'ordre "technique": -mauvaise connaissance des constantes radioactives; correction défectueuse des isotopes du plomb présents ini tialement (Fo); les autres, plus prometteuses, liées à la nature et à l'histoi re mêmes du système U-Pb: -caractère hybride, non cogénétique, de la population analysée; -écarts à la règle du système clos, c'est à dire variations (pertes ou gains) des concentrations des isotopes pères

et/ou fils, et/ou des nucléides intermédiaires des séries tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013

- 8 - radioactives, autres que celles introduites par la radioactivité. Quoi qu'il en soit, ce problème des discordances d'âge constituait une limite sérieuse pour le développement de la radiochronologie U-Pb.

II -MODELES EXPLICATIFS DES DISCORDANCES D'AGES

DANS LE SYSTEME U-PB

Ce n'est qu'après 1955 que des progrès considérables furent réalisés, et que la méthode connut un réel essor. II.l -NOTION DE CONCORDIA ET MODELE EXPLICATIF FONDAMENTAL L'impulsion nouvelle au débat eut pour origine la constatation par L.H. AHRENS (1955) que les points expérimentaux définissaient des ar rangements linéaires lorsqu'on les reportait dans un diagramme ayant pour _ . 206 238 207 235 coordonnees les rapports Pb/ U et Pb/ U. AHRENS propose que ces régularités suggéraient des pertes en Pb, contrôlées par des processus physiques. Mais c'est à G. IV. WETHERILL (1956 a et b) que revient le mérite essentiel d'avoir élaboré un modèle géochimique fondamental, rendant compte du com portement remarquable observé par AHRENS.

WETHERILL

introduit, tout d'abord, le concept de courbe "Concordia" , ou lieu géométrique des âges concordants (identiques) obtenus par les deux méthodes: et _ 207 pb / 206 pb (et aussi, par consequent: tel-00839377, version 1 - 27 Jun 2013 '"'.l H G) .

N o Cl

'TI tJ'

N W CO

c: Ul

N o -.J

'TI tJ'

N W U1

c: tI:l >-3 () g 6l tI:l () o z () o ê H . R 206
pll 1 . - apporl 238
U c orr es pon c anl a l'age t 1000
MA 235U
206
p1 droite de penle __ x J cor res pondant 238U
207Pb
il o bt enu par le rùppolt 206
Pb / 207
Pb l' POint repr

és:

ntatif d'un 1 systeme reste clos depUIS 1 sa formation il l'

époque

1 t , 1875
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